高溫堆肥技術在我國畜禽糞便污染治理中的應用

何芳　羅陽　浣成　伍佰鑫　易康樂　李晟　孫鏖　李昊幫

摘要 畜禽糞便無害化處理是保障畜牧業與環境可持續發展的重要措施，而高溫堆肥是生產工業有機肥的有效途徑，但目前畜牧業畜禽廢污資源化利用還存在諸多問題。闡述了我國畜禽糞便污染現狀，介紹了高溫堆肥技術在畜禽糞便污染處理中的應用，旨在為提高我國畜禽糞便處理效率以及促進養殖業的健康、快速發展提供參考。

關鍵詞 畜禽糞便；高溫堆肥；有機肥

中圖分類號 S141.4 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）17-0041-03

Abstract Harmless treatment of livestock and poultry manure is an important measure for the sustainable development between animal husbandry industry and environment， and hightemperature composting is an effective way of industrial production.However， there are many problems in the utilization of livestock and poultry waste pollution resources at present.The pollution situations of livestock and poultry manure in China were expounded.And the application of hightemperature composting technology in pollution treatment of livestock and poultry manure was introduced， so as to provide references for improving the treatment efficiency of livestock and poultry manure in China and promoting the healthy and rapid development of aquaculture.

Key words Livestock manure；Hightemperature composting；Organic fertilizer

近年來，我國畜牧業生產規模和經濟效益穩步增長，規?；?、集約化、標準化程度不斷提高。據《中國統計年鑒》（2016）統計，2005—2015年我國肉豬出欄數達到70 825萬頭，豬年存欄數45 112.5萬頭，豬肉產量5 486.5萬t，牛出欄數10 817萬頭，牛肉產量700.1萬t，羊肉產量440.8萬t，牛奶產量3 754.7萬t，禽蛋產量2 999.2萬t[1]。我國畜牧業在供需平衡方面實現了精準把控，畜產品結構及產能分配隨宏觀經濟環境的變化而逐步調整，經歷了快速發展階段后增長速度開始放緩，逐步向高質量、高品質類型轉變，但受集約化、規模化發展模式的影響，高度養殖密集區畜禽糞便生產量巨大，受資金、技術、政策等因素的限制，畜禽廢棄物對環境的污染問題日趨嚴重[2-3]。筆者闡述了我國畜禽糞便污染現狀，并介紹了高溫堆肥技術在畜禽糞便污染處理中的應用。

1 我國畜禽糞便污染現狀

畜禽糞便、養殖臭氣、墊圈褥草以及死畜禽尸體等廢棄物是畜牧業對環境污染的重要來源，其中以畜禽糞便污染范圍以及污染程度最為明顯[4-5]，主要表現在以下方面：①集約化程度高，糞便生產量大。20世紀80年代我國畜禽糞便總產量僅6.9億t，2009年已達到32.64億t，預測2020年畜禽糞便排放量將達到42.44億t[6]。②廢污殘留物含量高，存在污染風險。

為了預防畜禽疾病發生、促進動物生長，在配合飼料中添加銅、鋅、抗生素等飼料添加劑，但由于其生物有效性低，極易排出動物體外，造成工業生產的有機肥中抗生素、重金屬以及致病菌含量嚴重超標，用作農家肥施用時會出現養分釋放慢、礦化時間長等不良影響，致使污染物殘存在土壤-作物體系中，造成食品安全隱患[7]。因此，企業在大力發展產業集約化的同時，還應加強畜禽糞便資源化利用技術攻關，生產與治理并重，不斷加強畜牧業的可持續發展。

1.1 重金屬污染

Cu、Zn、As等重金屬元素可促進動物生長，提高飼料利用率，作為添加劑應用于飼料工業中具有重要意義。例如，Cu能提高動物采食量，也是動物機體相關酶的催化劑；As能抑制和殺滅動物腸道寄生蟲，提高機體免疫力等。但是，當飼料中過量添加Cu和Zn時，加上生物體的富集功能[8-10]，會導致動物排放至生境中的糞便重金屬含量嚴重超標。石艷平等[11]對嘉興市27家規模化豬場糞便樣品中重金屬的含量進行測定，發現Cu、Zn、As超標率分別為71.9%、78.9%和42.1%，其中仔豬糞便中Cu和Zn超標率均達100%；龐妍等[12]對關中平原養殖集中區糞便中重金屬元素進行測定，發現牛糞、雞糞、豬糞樣品中Cr超標率分別為7.69%、4.35%和8.00%，而豬糞中Cu、Zn超標率分別達到76.00%和8.00%。畜禽糞便重金屬污染較為普遍，是造成環境污染的重要因素之一，而我國以生豬類糞便污染最為嚴重。

1.2 抗生素污染 抗生素（Antibiotics）是由微生物（細菌、真菌、放線菌）或高等動植物在新陳代謝過程中所產生的一類次級代謝化學物質，通過影響細菌蛋白質合成、破壞細胞壁和影響DNA復制等多種方式抑制或干擾病原微生物的生長代謝[13]。隨著近代飼料工業的發展，抗生素濫用現象越來越嚴重，但由于病原菌的變異速度以及動物機體對抗生素的依賴性越來越強，使得抗生素在飼料中的添加量逐年提升。畜禽糞便中抗生素殘留的原因是動物經過消化代謝后，僅有少部分抗生素被裂解、羥基化和葡萄糖苷酸化轉化為無活性物質，50%～80%以原形或代謝物形式隨糞便和尿液直接排出[14-16]。張慧敏等[17]發現規?；B殖場畜禽糞便中四環素、土霉素和金霉素的殘留量為3.36～6.48 mg/kg，而家庭散養畜禽糞便中3種抗生素殘留量為0.28～0.65 mg/kg。郭冬生等[18]推測2011年湖南省畜禽糞便中抗生素排泄總量為103.09 t，且豬糞是抗生素排泄的主體。Zhao等[19]對我國規?；B殖場畜禽糞便的調查發現，環丙沙星和恩諾沙星在牛糞中的含量分別為29.59和46.70 mg/kg，其在豬糞中含量分別為33.98和33.26 mg/kg。Pan等[20]研究發現新鮮豬糞中四環素類抗生素殘留量達764.4 mg/kg。由此可見，畜禽糞便中抗生素殘留情況普遍存在，抗生素污染治理已刻不容緩。

1.3 病原體污染

畜禽消化道中棲息著數以億計的微生物，這些共生微生物能輔助動物消化代謝和維持腸道平衡，畜禽糞便中同樣附著大量的病原微生物和寄生蟲，據統計每年畜禽糞便共排出3.2×1023個隱孢子蟲卵囊[21]，已成為傳染病傳播隱患，甚至危害人類健康。李基棕等[22]對2個規?；i場周邊的空氣、飲用水、排污水、土壤以及糞便樣本進行調查，發現葡萄球菌、鏈球菌、大腸桿菌、沙門氏菌、耶爾森菌、變形桿菌、巴氏桿菌、李氏桿菌、芽孢桿菌和梭狀芽孢桿菌是豬場周邊分布的主要優勢菌，而這些優勢菌大多具有致病功能。謝秀蘭等[23]從患病羔羊糞便中分離出4株具有較高致病力和多重耐藥性的奇異變形桿菌，并對健康小鼠具有較高的致病性。巖銳等[24]從腹瀉病牛糞便樣品中分理出1株致病性大腸埃希菌，接種至12只健康小鼠體內后，24 h內全部死亡。畜禽糞便雖然攜帶了大量的有害微生物，但大多數可以通過物理、化學等方法殺滅，因此對畜禽糞便中病原體的防治應十分注重抗性菌株的突變。

2 高溫堆肥技術在我國畜禽糞便污染治理中的應用

高溫堆肥是現代工業有機肥生產的重要技術之一，將各種堆肥材料按一定比例混合，通過人為控制水分、pH、溫度、碳氮比（C/N）等因素，在好氧、厭氧或好氧-厭氧交替的條件下，對糞便進行腐解，最終轉化為有機肥。由于資金、認識和技術因素的限制，我國利用高溫堆肥技術處理畜禽糞便的比例并不高，農田中直接施用生糞或畜禽糞便隨意排放的現象依然存在。然而，在許多發達國家，高溫堆肥技術已經普遍應用于工業化。據法國官方數據統計，每年高溫堆肥處理豬糞、牛糞、雞糞共860萬t，占比63.16%[25]。由此可見，高溫堆肥是當前畜牧業畜禽糞便資源化利用的有效途徑，在未來畜牧業廢污處理方面具有巨大的應用前景。

2.1 高溫堆肥對畜禽糞便重金屬殘留的影響 大量研究表明，高溫堆肥能夠鈍化畜禽糞便中的重金屬，降低重金屬的有效性，究其原因是畜禽糞便中含有大量溶解態有機質，對某些游離重金屬具有一定的螯合作用，形成碳酸鹽結合態或有機質結合態[7]。鄭國砥等[26]研究了高溫堆肥處理對豬糞重金屬結合形態變化的影響，發現堆肥處理能降低可交換態和碳酸鹽交換態Pb、Ni、Cu、Cr、Zn、As 和鐵錳氧化物結合態Pb、Cu、Cr、As 的分配系數，從而降低豬糞中重金屬的有效性，從而達到降低豬糞中重金屬污染的風險。由于某些畜禽糞便中重金屬含量較高，高溫堆肥時需要添加鈍化劑進行高溫腐熟，如生物炭、膨潤土、沸石、磷礦粉、石灰等，這些鈍化劑具有較大的空腔表面、靜電力以及離子交換性能，能有效吸附重金屬，從而降低重金屬的生物有效性。劉小嶼等[27]研究生物炭對豬糞有機肥中重金屬Cu、Zn的鈍化效果，發現生物炭可不同程度降低辣椒莖葉和辣椒果實中Cu、Zn的累積量，同時可促進辣椒生長，提高辣椒產量。由此可見，這些鈍化劑不僅能鈍化重金屬，而且能一定程度增加肥力，促進農產品增產，有效緩解畜禽糞便中重金屬對環境的污染。

2.2 高溫堆肥對畜禽糞便抗生素殘留的影響

飼料中添加抗生素可提高養殖場的經濟效益，但過量添加抗生素會使微生物具有選擇壓力，向耐藥方向演變，誘導病原微生物產生抗性基因，抗性菌株隨糞便排出后，通過基因水平轉移污染土壤和地下水環境?？股貧埩羰切笄菁S便處理的難點和熱點，大量研究發現高溫堆肥對抗生素以及抗性基因的擴散和傳播具有一定的削減效果。孟磊等[28]研究了利用高溫堆肥去除雞糞中抗生素殘留，發現高溫堆肥可去除雞糞中48.4%～77.1%的氟喹諾酮類抗生素，且在堆肥初期（0～14 d）降解速度最快。Selvam等[29]發現經過42 d的高溫堆肥可使豬糞中磺胺類和四環素類抗性基因均降至檢出限以下。勾長龍等[30]研究高溫堆肥對豬糞中抗生素及抗生素抗性基因的影響，發現低劑量處理組（10 mg/kg）中四環素、土霉素和金霉素的去除率分別為91%、94%和92%，高劑量組（50 mg/kg）中四環素、土霉素和金霉素的去除率分別為60%、62%和71%，且經堆肥處理后抗性基因tetC、tetG、tetM、tetQ、tetW的相對豐度下降。這些研究表明高溫堆肥對畜禽糞便抗生素殘留有一定的去除效果，并對其抗性基因也有一定的削減作用。

2.3 高溫堆肥對畜禽糞便有害微生物的影響

高溫堆肥分為升溫、高溫以及降溫腐熟3個階段，對有害微生物的去除集中在升溫和高溫階段，生糞中大多數致病菌的最適生長溫度在37 ℃以下，隨著溫度的升高，大多數致病菌會被高溫殺滅，有益分解菌成為主體，新的微生物區系隨而建立。Himathongkham等[31]和Zaleski等[32]認為牛糞高溫堆肥的第10天大腸桿菌和沙門氏菌的去除率在90%以上，第14天李氏桿菌被徹底殺滅。此外，高溫堆肥對糞便中的寄生蟲也表現出良好的殺滅效果。王洪志等[33]對雙流縣5個規模化養豬場糞便進行高溫堆肥，發現堆肥前小袋蟲、球蟲、蛔蟲等陽性率較高，而堆肥后各種寄生蟲及蟲卵的陰性率均在99%以上。仇天雷等[34]研究表明，雞糞中沙門氏菌在堆肥起始階段全部被殺滅，而大腸菌群堆肥末期（47 d）才降至檢出限以下。因此，高溫堆肥可以殺滅畜禽糞便中微生物和寄生蟲卵，有效控制了傳染病以及人畜共患病的傳播。

3 小結

畜牧業畜禽糞便污染水源、空氣和土壤，還易造成疾病傳播，給我國帶來了嚴重的環境污染，如何使畜禽糞便無害化、資源化、減量化已成為我國以及世界性亟需解決的難題。高溫堆肥因無害化程度高、堆肥時間短、處理規模大、適于工廠化生產等優點而逐漸成為畜禽糞便處理的首選方式[5]。然而，我國對高溫堆肥的研究起步較晚，工業化程度低，堆肥過程中各項指標還不明確，例如發酵過程中氮素損失嚴重、腐熟指標不明確等，較大程度地限制了高溫堆肥的工業化應用。面對諸多不利因素，近年來我國高度重視有機肥的生產標準，連續13年發布以“三農”為主題的中央一號文件，不斷優化產能過剩、調整供給側結構，促進產業轉型升級。隨著新型農業經營主體的不斷涌現以及消費主體、國家的政策導向，有機肥相關標準、檢測方法、評價和使用技術的研究不斷增多，使得高溫堆肥的工業化應用越來越受到重視，這于對緩解畜禽糞便對環境的污染，促進畜禽糞便的資源化利用、工廠化生產以及有機肥產業的健康發展具有重要意義。

參考文獻

[1] 中華人民共和國國家統計局.中國統計年鑒[M].北京：中國統計出版社，2016.

[2] 胡向東，黃仁，何忠偉.畜禽規模養殖場廢棄物處理的現狀分析[J].江蘇農業科學，2014，42（1）：302-304.

[3] 王修川，袁新國，王騰.試論循環經濟及畜禽廢棄物資源化[J].環境科學與技術，2008，31（8）：155-157.

[4] 秦翠蘭，王磊元，劉飛，等.畜禽糞便生物質資源利用的現狀與展望[J].農機化研究，2015（6）：234-238.

[5] 劉志剛，邱忠平，付春霞，等.畜禽廢棄物堆肥化研究進展[J].江蘇農業科學，2013，41（2）：366-369.

[6] 朱鳳連，馬友華，周靜，等.我國畜禽糞便污染和利用現狀分析[J].安徽農學通報，2008，14（13）：48-50.

[7] 嚴蓮英，劉桂華，秦松，等.畜禽糞便堆肥中抗生素和重金屬殘留及控制研究進展[J].江西農業學報，2016，28（9）：90-94 .

[8] 奉向東，鄧激光，王偉，等.飼糧中高銅高鋅在組織中殘留及排泄規律的研究[J].檢驗檢疫學刊，2009，19（1）：21-23.

[9] 商和平，李洋，張濤，等.畜禽糞便有機肥中Cu、Zn在不同農田土壤中的形態歸趨和有效性動態變化[J].環境科學，2015，36（1）：314-324.

[10] 洑琴，林麗娟，周巖民.肉鴨飼料及糞便中主要成分的調查分析[J].江蘇農業科學，2014，42（1）：155-157.

[11] 石艷平，黃錦法，倪雄偉，等.嘉興市主要生豬規模化養殖飼料和糞便重金屬污染特征[J].浙江農業科學， 2015，56（9）：1494-1497.

[12] 龐妍，唐希望，吉普輝，等.關中平原畜禽糞便重金屬農用風險估算[J].中國環境科學，2015，35（12）：3824-3832.

[13] DURSO L M， COOK K L.Impacts of antibiotic use in agriculture：What are the benefits and risks？[J].Curr Opin Microbiol，2014，19：37-44.

[14] 王冰，孫成，胡冠九.環境中抗生素殘留潛在風險及其研究進展[J].環境科學與技術，2007，30（3）：108-111.

[15] HIRSCH R，TERNES T，HABERER K，et al.Occurrence of antibiotics in the aquatic environment[J].The science of the total environment， 1999， 225（1/2）：109-118.

[16] YANG S，CHA J，CARLSON K.Quantitative determination of trace concentrations of tetracycline and sulfonamide antibiotics in surface water using solidphase extraction and liquid chromatography/ion trap tandem mass spectrometry[J].Rapid communication in mass spectrometry， 2004， 18：2131-2145.

[17] 張慧敏，章明奎，顧國平.浙北地區畜禽糞便和農田土壤中四環素類抗生素殘留[J].生態與農村環境學報，2008，24（3）：69-73.

[18] 郭冬生，王文龍，彭小蘭，等.湖南省畜禽糞便抗生素排放量估算與治理策略[J].浙江農業學報，2014，26（5）：1315-1318.

[19] ZHAO L，DONG Y H，WANG H.Residues of veterinary antibiotics in manures from feedlot livestock in eight provinces of China[J].Science of the total environment， 2010，408（5）：1069-1075.

[20] PAN X， QIANG Z M， BEN W W， et al.Residual veterinary antibiotics in swine manure from concentrated animal feeding operations in Shandong Province， China[J].Chemosphere，2011，84（5）：695-700.

[21] VERMEULEN L C，BENDERS J，MEDEMA G，et al.Global Cryptosporidium loads from livestock manure[J].Environ Sci Technol，2017， 51（15）：8663-8671.

[22] 李基棕，高穎，杜海燕，等.規模化養豬場環境細菌的調查與分析[J].中國畜牧獸醫，2010，37（8）：199-203.

[23] 謝秀蘭，黎帥，馬小明，等.羊奇異變形桿菌的分離鑒定及藥敏試驗[J].動物醫學進展，2017，38（7）：115-119.

[24] 巖銳，王建聶，鄭碧妞，等.規模化肉牛養殖場雜交肉牛頑固性水樣腹瀉的病原檢測[J].上海畜牧獸醫通訊，2017（6）：10-14.

[25] LOYON L.Overview of manure treatment in France [J].Waste management，2017，61：516-520.

[26] 鄭國砥，陳同斌，高定，等.好氧高溫堆肥處理對豬糞中重金屬形態的影響[J].中國環境科學，2005，25（1）：6-9.

[27] 劉小嶼，沈根祥，錢曉雍，等.不同鈍化劑對畜禽糞便有機肥重金屬銅鋅的鈍化作用[J].江蘇農業科學，2017，45（13）：209-213.

[28] 孟磊，楊兵，薛南冬，等.高溫堆肥對雞糞中氟喹諾酮類抗生素的去除[J].農業環境科學學報，2015，34（2）：377-383.

[29] SELVAM A， ZHAO Z Y， WONG J W C.Composting of swine manure spiked with sulfadiazine， chlortetracycline and ciprofloxacin [J].Bioresource technology， 2012，126（12）：412-417.

[30] 勾長龍，王雨瓊，張喜慶，等.高溫堆肥對豬糞中四環素類抗生素及抗性基因的影響[J].環境科學學報，2017，37（4）：1454-1460.

[31] HIMATHONGKHAM S，BAHARI S，RIEMANN H，et al.Survival of Escherichia coli O157：H7 and Salmonella typhimurium in cow manure and cow manure slurry[J].FEMS Microbiology Letters，1999，178（2）：251-257.

[32] ZALESKI K J，JOSEPHSON K L，GERBA C P，et al.Survival， growth，and regrowth of enteric indicator and pathogenic bacteria in biosolids，compost，soil，and land applied biosolids[J].Journal of residualsence & technology，2005，2（1）：49-63.

[33] 王洪志，楊克美，陳世中，等.堆肥發酵處理畜禽糞便殺滅寄生蟲及蟲卵的研究[J].西南民族大學學報（自然科學版），2013，39（3）：307-310.

[34] 仇天雷，高敏，韓梅琳，等.雞糞堆肥過程中四環素類抗生素及抗性細菌的消減研究[J].農業環境科學學報，2015，34（4）：795-800.